Введение
Благодаря бурному развитию оптоэлектроники в последние 10–15 лет были созданы мощные излучатели на базе AlInGaP и AlInGaN гетероструктур, которые по эффективности, надёжности, возможности получения чистых цветов от красного до ультрафиолетового превзошли светодиоды первого поколения на основе бинарных соединений и трёхкомпонентных растворов А3В5.
Между тем при использовании приборов в ядерной электронике, космическом приборостроении, бортовой и военной аппаратуре сведения о радиационной стойкости изделий являются необходимыми, а в ряде случаев определяющими. В этой связи исследования радиационной деградации и оценка радиационной стойкости светодиодов нового поколения на основе AlInGaP гетероструктур красного и желтого цвета свечения представляются весьма актуальными в русле их использования в спецаппаратуре, если не в настоящее время, то в ближайшем будущем.
Результаты и методика эксперимента
Была исследована партия светодиодов на основе AlGaInP гетероструктур красного цвета свечения. Максимум спектральной кривой светодиодов лежал при 630–650 нм. Светодиоды облучали нейтронами и гамма квантами. Источником нейтронов с энергией 2,65 МэВ являлся горизонтальный канал реактора ИРТ-2000 МГФИ с устройством, позволяющим варьировать спектр нейтронов. В качестве источника гамма квантов с энергией 1,25 МэВ использовали кобальтовую пушку ГУ-2000. У светодиодов (СД) до и после облучения измеряли люмен-амперные характеристики (ЛАХ) и вольт-амперные характеристики. Измерение ВАХ и ЛАХ проводили в автоматическом режиме с использованием оригинальных методов и измерительных установок на базе персонального компьютера.
Вольт-амперные характеристики светодиодов, излучающих в красной области спектра, до и после облучения нейтронами и гамма квантами приведены на рис. 1.
Рис. 1. ВАХ СД с красным цветом свечения до и после облучения нейтронами и гамма квантами. 1 – Ф, D = 0; 2 – Ф = 4,7×1013 н/см2, D = 107 рад; 3 - Ф = 4,7×1015 н/см2
Как до, так и после облучения нейтронами с флюенсом менее 4,7×1013 н/см2 и гамма квантами с дозой менее 107 рад ВАХ состояли из двух экспоненциальных и одного степенного участка. На графиках рис. 2.6.4 (а) и (б) показаны зависимости «фактора неидеальности» (b) экспоненциального участка от напряжения и тока.
В интервале напряжений 1,3 – 1,6 В, токов 5×10-7 - 3×10-6 А, флюенсов
0 – 4,7×1013 н/см2, доз – 0-107 рад фактор b = 2,0. В интервале токов 6×10-6 - 4×10-4 А b = 1,5. После Ф = 4,7×1015 н/см2 b = 2,0 в широком интервале токов 10-6 – 10-4 А.
Рис. 2. Зависимость «фактора неидеальности» b от напряжения (а), тока (б), флюенса нейтронного и дозы гамма облучения 1 – Ф =0, D = 0- 107 рад; 2 – Ф = 4,7×1015 н/см2
Из графиков рис. 1 и 2 следует, что экспоненциальные участки ВАХ могут быть представлены в следующем виде:
+
, (1)
где I – ток, а U – напряжение на гетероструктуре;
Т – температура, К;
е – заряд электрона;
k – постоянная Больцмана.
Первый экспоненциальный участок наблюдался в широком, а второй – ограниченном интервале флюенсов (доз) облучения. Величина «тока насыщения» (IS1) увеличивалась примерно на порядок после облучения нейтронами с Ф = 4,7×1015 н/см2.
Степенные участки ВАХ светодиодов, излучающих в красной области спектра, приведены на рис. 3.
Рис. 3. Степенные участки ВАХ СД с красным цветом свечения до и после облучения нейтронами и гамма квантами. 1 – Ф, D = 0; n = 1,5, B = 0,085 A/B, Uk = 1,68 B;
2 – D = 107 рад, n = 2, B = 0,167 A/B, Uk = 1,60 B;
3 - Ф = 4,7×1015 н/см2, n = 2, B = 0,0178 A/B, Uk = 1,45 B
Они могут быть аппроксимированы следующей эмпирической формулой:
I = B(U – Uk)n. (2)
Параметры ВАХ (n, B и Uk) при различных флюенсах и дозах облучения приведены в подрисуночных подписях. До облучения и после небольших флюенсов и доз облучения показатель степени n = 1,5 при токе менее 10-2 А и n = 2 при бóльшем значении тока. После облучения (Ф = 4,7×1015 н/см2 или D = 107 рад) n = 2 во всем интервале токов. После Ф = 4,7×1015 н/см2 величина коэффициента В снижалась в 7–10 раз, а Uk примерно на 10 %.
Люмен-амперные характеристики гетероструктур до и после облучения приведены на графиках рис. 4.
Рис. 4. Зависимость силы света от тока, флюенса нейтронного и дозы гамма облучения. Ф, н/см2; D, рад. 1 – Ф, D = 0; 2 – Ф = 4,7×1012;
3 - D = 107; 4 - Ф = 4,7×1013 ; 5 - Ф = 4,7×1015
До облучения и после небольших флюенсов и доз облучения зависимость силы света от тока близка к линейной. При флюенсе 4,7×1013, н/см2 она снижалась примерно на порядок, а при Ф = 4,7×1015 н/см2 на два порядка, а сила света становилась сверхлинейной функцией тока.
Обсуждение экспериментальных результатов и оценка константы повреждаемости времени жизни
Проведенные ранее исследования по воздействию проникающей радиации на светодиоды первого поколения показали, что основной причиной изменения электрических и световых характеристик является генерация центров безызлучательной рекомбинации и, как следствие, снижение времени жизни [2, 3, 6]:
, (3)
Рис. 5. Показатель степени m люмен-амперной характеристики от тока при разных дозах облучения
Т.к. при облучении у светодиодов с красным цветом свечения второй экспоненциальный участок ВАХ с b = 1,5 исчезает, а ширина компенсированного слоя превышает диффузионную длину, то изменение параметров этого слоя можно проследить по эволюции предэкспоненциального множителя первого экспоненциального участка ВАХ:
(4)
Т.к. в выражении (4) не входит ширина и проводимость компенсированного слоя, то изменением этих параметров в расчетах можно пренебречь.
Используя (3) и (4) и считая, что эффекты прилипания не играют заметной роли (g = 1) изменение тока при фиксированном напряжении, можно записать в следующем виде:
. (5)
Используя экспериментальные значения тока до и после облучения из (5) получаем:
(t0Кt) = (4,2 ± 1,3)×10-14 см2/н. (6)
В том случае, если прилипание играет заметную роль, вместо (t0Кt) в (5) и (6) следует подставить (gt0рКt).
Степенной участок ВАХ отвечает модели Рашба – Толпыго [4] или Ламперта – Роуза [5], согласно которым аналитические зависимости тока от напряжения имеют вид [5]:
, (7)
. (8)
Детальный анализ данных участков и обозначения даны во второй главе. При анализе зависимостей тока от флюенса необходимо принимать во внимание не только деградацию времени жизни, но также изменение проводимости и ширины компенсированного слоя.
Если последними эффектами можно пренебречь, то зависимость тока от флюенса имеет следующий вид:
, (9)
где n = 1,0 для первой модели и n = 0,5 для второй, и, соответственно
(t0Кt) = (1,1 ± 0,3)×10-14 см2/н; (t0Кt) = (5,3 ± 2,1)×10-14 см2/н. (10)
Второе значение лучше согласуется с (6.6.7). Однако на величину (8.6.9) здесь может влиять изменение проводимости и размеров компенсированного слоя.
Аналитические зависимости силы света из квантовой ямы для степенного участка ВАХ имеют следующий вид [1]:
, (11)
соответственно для линейной и «квадратичной» скорости излучательной рекомбинации носителей в квантовой яме.
Если не принимать во внимание изменения проводимости и ширины компенсированного слоя при облучении, то аналитическая зависимость для снижения силы света выглядит следующим образом:
, (12)
где n = 0,5 в случае линейной и n = 1,0 – «квадратичной» скорости рекомбинации. При токе 10-2 А люмен-амперная характеристика почти линейна, а отношение 
.
Из (12) при n = 1,0 имеем
(t0Кt) = (2,4 ± 1,4)×10-14 см2/н, (13)
что в пределах погрешностей эксперимента согласуется как с первой, так и со второй моделью.
Заключение
Впервые определены константы повреждаемости времени жизни у светодиодов на основе AlInGaP красного цвета свечения. Радиационная стойкость исследованных светодиодов на порядок выше, чем светодиодов из фосфида галлия красного цвета свечения. Установлено, что вольт-амперные характеристики до и после облучения нейтронами и гамма квантами соответствовали известным диффузионным моделям двойной инжекции, что позволило разработать физическую и математическую модель гетероструктуры и на ее основе вывести аналитические зависимости силы света от тока для основных участков ВАХ. Определено, что гамма облучение не оказывало существенного влияния на электрические и световые характеристики до дозы 107 рад.
Работа выполнена при поддержке ГК 14.513.11.0120 от 01.07.2013 г.
Рецензенты:
Кольцов Г.И., д.ф.-м.н., профессор кафедры полупроводниковой электроники и физики полупроводников, НИТУ «МИСиС», г. Москва.
Бублик В.Т., д.ф.-м.н., профессор кафедры материаловедения полупроводников и диэлектриков, НИТУ «МИСиС», г. Москва.
Библиографическая ссылка
Леготин С.А., Зайцев С.Н., Мурашев В.Н., Рыжиков И.В. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ALINGAP СВЕТОДИОДОВ КРАСНОГО ЦВЕТА СВЕЧЕНИЯ, ОБЛУЧЕННЫХ НЕЙТРОНАМИ И ГАММА КВАНТАМИ // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 5. ;URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=10669 (дата обращения: 25.04.2024).